미래의 친환경 에너지

교육.입시(지구과학 세특)

미래의 친환경 에너지

kjk쌤 2024. 9. 15. 14:00

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미래의 친환경 에너지

I. 주제 선정동기

지구과학 교과서에서 지구의 선물 단원을 공부하면서 미래의 친환경에너지인 신재생 에너지와 열에 관심을 가지게 되었다. 요즘 환경문제가 대두되면서 신재생에너지가 각광받고 있는 사회 분위기를 반영하여 주제로 ‘신재생 에너지’를 선정하게 되었다.

이것은 우리가 오래 전부터 현재까지 사용해오고 있는 화석에너지, 즉 석탄, 석유와 같은 에너지 자원은 점점 고갈되어 나중에는 거의 없어질 것이라는 예상이 뒷받침하고 있으며, 이러한 관점에서 신재생에너지는 한번 개발되면 무한하게 에너지를 제공함으로서 의의가 있다. 여러 가지 에너지 자원의 활용을 통해 에너지 공급의 안정성을 추구할 수 있는 신재생 에너지의 장점은 세계 각국에서 이미 활용되고 있다.

Ⅱ. 탐구 내용

1. 신재생 에너지

신재생 에너지는 신에너지와 재생 에너지를 합쳐 부르는 말이다. 신에너지에는 연료 전지, 석탄 액화 가스화, 수소 에너지 등이 있고, 재생 에너지에는 태양광, 태양열, 바이오매스, 풍력, 수력, 해양, 폐기물, 지열 등이 있다. 신재생 에너지는 자연적인 제약이 크고 화석 에너지에 비해 경제적 효율성이 떨어지지만, 환경 친화적이면서 화석 에너지의 고갈 문제와 환경 오염 문제를 해결할 수 있다. 신재생 에너지는 유가의 불안정과 기후 변화 협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 점차 커지게 되었다. 한국의 공급 비중을 보면 폐기물이 가장 높고, 태양열·풍력 등의 비중은 아직 낮은 편이다.

2. 바이오에너지

바이오에너지는 바이오매스를 연료로 하여 얻어지는 에너지로, 생물자원의 물질로 사용가능하도록 만들어진 대체에너지다. 에너지원으로 이용되는 바이오매스는 햇빛을 화학 에너지의 형태로 저장한 유기물이며 이는 나무, 나무찌꺼기, 짚, 거름, 사탕수수 등과 그 외의 다양한 농업의 과정에서 나온 부산물을 연료로서 사용한다. 2010년까지는 세계적으로 바이오에너지로 35GW에 해당하는 전기를 생산할 수 있는 능력이 있었고, 미국에는 7GW의 생산능력이 있었다.

바이오에너지는 좁은 의미로 생물자원에서 오는 바이오연료와 동의어 관계이다. 넓은 의미로는 바이오매스, 바이오연료로 사용되는 생물학적 물질뿐만 아니라 생물자원을 에너지로 사용하는 것과 관련된 사회적, 경제적, 과학적, 기술적 분야도 포함한다. 바이오에너지는 바이오매스를 직접 또는 물리적, 생화학적 변환과정을 거쳐 가스, 액체, 고체연료나 전기, 열에너지 형태로 이용하는 생물, 화학, 연소공학 등의 기술을 말한다.

미국이 주도하는 북아메리카의 국가는 2014년을 기준으로 바이오연료가 총 연료 생산량의 44.1%를 차지하는 주요 바이오연료 생산국이다. 미국의 "Renewable Fuels Standard program"은 2022년까지 360억 갤런에 해당하는 재생연료의 약 56.9%가 농업 잔여물로 만들어 지고 약 44.5%가 셀룰로오스를 바이오연료로 사용하여 만들어 질것이라고 예측한다. 총 연료 생산량의 나머지는 브라질을 포함하는 남아메리카와 중앙아메리카(28.7%), 네덜란드를 포함하는 유럽과 유라시아(16.5%), 중국을 포함하는 태평양 아시아 국가들(10.6)%에 속한다.

즉, 바이오에너지란 덜 썩은 유기물의 사체물 혐기성 세균이 이를 분해하는 과정에서 메테인 등의 ‘바이오매스 에너지’가 나오게 하는 것이다. 바이오매스를 에너지원으로 이용하는 방법으로는 직접연소·메테인발효·알코올발효 등이 있다. 예를 들어, 생물이 공기가 없는 곳에서 썩으면 메테인가스가 발생한다. 이 과정을 무기호흡이라 하는데, 이때 생성된 메테인가스, 즉 바이오가스는 조리용·난방용 등의 연료로 사용할 수 있다 그 외에도 대량 발생하는 나무 껍질, 곡물 ᄁᅠᆸ질 등을 직접 태워서 발전할 수도 있다. 이것을 발전에 쓰게 되면 바이오매스를 태워서 그 열로 증기를 끓이고 증기 터빈을 돌려 발전하는 형태가 된다.

3. 풍력에너지

풍력발전 바람 힘을 이용한 것으로 바람이 풍차의 날개를 돌리면 날개는 발전기라는 전기 발생 장치에 연결되어 전기를 생산하고 생산된 전기는 바로 사용하거나 전기를 보내는 전선망을 이용하여 전기를 필요로 하는 사람들에게 보내준다. 우리나라는 바람이 많이 부는 산이나 해안선이 길은 바다가 있어 풍력발전 설치 시 많은 전기를 생산 할 수 있다. 풍력 발전은 바람이 가진 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 생산하는 시스템이다.

즉, 에너지 변환과정을 통해 전력을 생산하며 생산된 전력은 가정용, 공업용 등으로 자체 소모하거나 한국전력에 역송전하여 전기를 판매할 수 있다. 특히 우리나라는 해안선이 길어 풍력발전을 하기에 유리한 조건을 가지고 있다.

풍력발전의 원리는 다음과 같다. 풍차날개(blade)는 바람의 운동에너지를 기계적 회전력으로 변환다. 동력전달장치(geerbox)는 입력된 에너지를 증폭시키고 발전기는 기계적 회전력을 전기에너지로 변환한다. 전력변환장치(inverter)를 이용해서 직류전기(DC)를 교류전기(AC)로 변환시켜 전력선 및 수용가로 전력공급을 한다.

풍력에너지란 말 그대로 바람의 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 것을 의미하는데 풍차에는 터빈이 열결되어 있어 바람에 의해서 움직여지는 회전력을 전환시켜서 우리가 일반적으로 사용하는 전기에너지로 바꾸는 것이다.

4. 수력에너지

수력발전은 물의 낙하차를 이용한 시설용량 10,000㎾이하의 수력발전을 말하며, 국내보급현황은 '82년 이후 정부의 지원으로 현재까지 30여개 지역에(용량 약 43,000kW) 설치되었고 연간전력생산량은 약 1억kWh에 달한다. 소수력발전은 전력생산외에 농업용 저수지, 농업용 보, 하수처리장, 정수장, 다목적댐의 용수로 등에도 적용할 수 있는점을 감안할 때 국내의 개발잠재량은 풍부하며, 청정자원으로서 개발할 가치가 큰 부존자원으로 평가받고 있다.

수력 에너지는 댐을 만들어서 물을 모아두고 물이 떨어지는 힘으로 터빈을 돌리게 된다. 물을 높은 곳에서 낮은 곳으로 빠르게 흘려 보내면서 그때 변환되는 운동에너지로 터빈을 돌리는 것이다.

5. 해양에너지

해양에너지는 바다에서 발생하는 에너지로서 파도가 칠때 사용 할 수 있는 파력에너지, 바다속과 바다 표면의 온도차를 이용해 만드는 온도차 에너지, 밀물과 썰물 때의 물의 깊이가 달라지는 현상인 조력에너지 등이 있으며 이러한 여러 에너지를 이용하여 전기를 생산할 수 있습니다. 해양에너지 개요는 다음과 같다. 조력발전은 조석의 힘을 동력원으로 하여 해수면의 상승하강운동을 이용하여 전기를 생산하는 발전 기술이다.

다음으로 파력발전은 입사하는 파랑에너지를 이용하여 터빈 등의 원동기 구동력으로 발전하는 기술을 말한다. 해수온도차발전은 해양 표면층 온수(예 : 25∼30℃)와 심해층(500~100M) 냉수(예 : 5∼7℃)의 온도차를 이용하여 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 발전하는 기술이다.

해양에너지는 조력과 파력으로 나눌 수 있다. 조력은 조류라고 해서 물이 움직이는 일정한 흐름이다. 밀물, 썰물이 이와 같다. 우리나라 황해 같이 조석간만 차가 큰 곳에서 이용할 수 있는 방식이다. 조류가 움직이는 중간에 벽과 같은 것을 형성해 놓고 거기에 터빈을 달아놓으면 물이 움직이면서 터빈을 돌리는 원리가 사용된다. 파력은 파도의 힘을 이용하는 것이다. 파도가 터빈을 돌려주는 방식이다.

6. 지열에너지

지열에너지는 땅속의 온도는 사계절 내내 거의 변하지 않는다. 겨울에는 땅위보다 따뜻하고 여름에는 땅위보다 시원하다. 이러한 점을 이용해 여름에는 땅속으로부터 시원한 온도를 가져와 시원하게 해주고 겨울에는 따뜻한 온도를 가져와 따뜻하게 해 줄 수 있다. 지구에 저장된 지하수 및 지하의 열을 이용한 에너지로, 주로 태양열로부터 땅에 저장되며 냉·난방 등에 활용가능하다.

지구 용융이 일어나는 중심부에서 지표 근처로 방출되는 열을 에너지원으로 이용한다. 보통 지표면 근처의 지중 온도는 10∼20℃ 정도로 열펌프를 통해 에너지로 이용되고, 일부 지중 온도가 80℃ 정도로 높은 지역의 열은 직접 냉·난방에 이용된다. 지표에서 지구 중심부로 갈수록 지중 온도는 25~30℃/km 정도로 증가하며, 주로 100℃ 이상의 고온 지대는 판의 경계에 나타나므로 대부분의 지열 발전소가 위치해 있다.

이산화탄소나 각종 유해물질을 배출하지 않는 친환경에너지로, 장비의 유지비 외에 추가 비용이 발생하지 않아 발전 구동 비용이 저렴하다. 반영구적으로 사용 가능하지만, 발전 설비 적용 시 지중 상황 파악이 어려울 뿐 아니라 침전이 발생할 수 있고 발전 가능한 지역이 한정적이라는 문제가 있다.

지열에너지는 물, 지하수 및 지하의 열 등의 온도차를 이용하여 냉·난방에 활용하는 기술이다. 태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며, 이렇게 태양열을 흡수한 땅속의 온도는 지형에 따라 다르지만 지표면 가까운 땅 속의 온도는 대략 10°C～20°C 정도 유지해 열펌프를 이용하는 냉난방 시스템에 이용된다. 특히 화산 근처는 지열이 높기 때문에 이런 발전 형태를 사용하기에 적합하다.

7. 연료전지

연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다.(H2+ 1/2O2→ H2O + 전기) 생성물이 전기와 순수(純水)인 발전효율 30~40%, 열효율 40% 이상으로 총 70~80%의 효율을 갖는 신기술이다. 연료 전지는 대표적인 것이 수소 연료 전지이다. 물을 전기분해하면 수소와 산소가 나오는데 그것의 역반응을 이용한 것이다. 수소를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기, 열 등을 발생시키면 반응 결과 생기는 것이 물이니 친환경 에너지라고 부를수도 있다. 이것을 신재생에너지라고 하는 이유는 바닷물을 전기분해해서 수소를 공급하면 거의 무한정 공급할 수 있다고 여기기 때문이다.

8. 태양광 에너지

태양광 에너지는 태양광 발전 시스템을 이용하여 빛 에너지를 모아 전기로 바꾸는 것이다.
태양광 발전 시스템은 몸에 나쁜공해를 만들지 않고, 연료도 필요 없으며 소리도 나지 않아 조용하다. 또한 쉽게 설치 할 수 있으며 오래 동안 사용 할 수 있다. 현대의 에너지 시스템들은 일반적으로 에너지의 지속적인 이용가능성을 떠맡고 있기 때문에 에너지 저장은 태양 에너지 개발에 중대한 문제이다. 태양 에너지는 밤에는 제공되지 않으며 태양 에너지 시스템의 성능은 예기치 못한 날씨 조건에 영향을 받는다. 그러므로 저장 매체나 예비 전원 시스템이 사용되어야 한다.

축열체는 태양 에너지를 가정에서 날마다, 또는 계절 주기마다 유용하게 사용할 수 있는 온도의 열의 형태로 저장할 수 있다. 열 저장 시스템은 일반적으로 쉽게 사용할 수 있는 물, 흙, 돌과 같은 높은 비열의 물질을 사용한다. 잘 디자인되어 있는 시스템들은 절정 부하를 낮추고 전반적인 난방, 냉방의 요구사항들을 줄여 준다. 황산 나트륨과 같은 위상차 변환 물질들은 또다른 열 저장 매체이다. 이러한 물질들은 값이 싸고 쉽게 구할 수 있으며 가정에서 유용한 온도 (거의 64 °C)로 이용할 수 있다. "도버 하우스"(도버 시 소재)는 1948년에 황산 나트륨을 최초로 사용한 난방 시스템이었다.

태양 에너지는 용해된 소금을 사용하여 높은 온도로 저장할 수 있다. 소금은 값이 싸고 비열이 높으며 전통적인 전력 시스템과 호환되는 온도에서 열을 전달할 수 있기 때문에 효율적인 저장 매체이다. 솔라 투는 에너지 저장에 이 방식을 사용하며 68 m³의 저장 탱크에서 저장할 수 있다. 이에 따른 한 해 에너지 저장 효율성은 99%에 맞먹는다.

오프그리드 태양열 발전 시스템들은 전통적으로 이차 전지를 사용하여 남는 전기를 저장해 왔다. 그리드 시스템을 사용하면 남는 전기는 그리드 전기 시스템으로 전달할 수 있다. 넷 미터링 프로그램은 전기가 그리드에 전달할 수 있는 신뢰성을 이러한 시스템에 제공한다. 이러한 신뢰성은 시스템이 수요를 충족하지 못할 때 그리드가 제공하는 전기를 줄여 준다. 이로써 그리드가 저장 메커니즘으로 효과적으로 이용할 수 있게 된다. 양수 발전은 에너지가 낮은 곳의 저수지에서 더 높은 곳으로 이동할 수 있을 때 위로 끌어내는 물의 형태로 에너지를 저장한다.

Ⅲ. 신·재생 에너지 현황 및 전망

㉠ 신·재생 에너지 현황

신재생 에너지를 정리하면 다음과 같다. 신에너지에는 연료 전지, 석탄 액화 및 가스화, 수소 에너지 등이 있다. 다음으로 연료 전지는 수소와 산소의 화학 반응으로 생기는 화학 에너지를 직접 에너지로 변환시키는 장치이다. 특징으로 전기를 생산하는 과정에서 열도 발생하는데, 이 열을 이용할 수 있어서 에너지 효율이 높다. 배기가스 및 소음이 없는 청정에너지이다. 연료 전지는 버스와 소형 비행기의 동력에 실험적으로 사용되고 있으며, 앞으로 가정뿐만 아니라 대형 발전소, 대형 건물의 전원용으로도 사용될 전망이다.

석탄 액화 기술은 고체 연료인 석탄을 휘발유 또는 경유와 같은 액체 연료로 전환하는 기술이고, 석탄 가스화 기술은 석탄을 이용하여 만든 가스로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 기술이다. 특징은 석탄 액화 및 가스화 기술을 이용하면 석탄을 사용했을 때 발생되는 환경 오염이 없고, 고갈되는 석유를 대체할 수 있다. 석탄 가스화 복합 발전소를 개발하고 있다.

수소 에너지는 수소를 태울 때 발생하는 폭발력을 이용하는 에너지이다. 특징으로 수소는 물의 전기 분해를 통해 얻을 수 있다. 가스나 액체 형태로 만들어 쉽게 저장하고, 수송할 수 있다. 환경오염 물질을 배출하지 않는 청정에너지이다. 현재에는 액체 수소를 로켓이나 우주 왕복선에 이용하고 있다. 수소 자동차와 수소 항공기도 연구가 진행되고 있다.

태양광 에너지는 태양 전지를 이용하여 전기를 얻는 에너지로, 태양광은 햇빛이 있는 곳에서는 전기 에너지를 생산할 수 있어 태양광 자동차, 항공기, 인공위성 등의 동력원으로 이용되고 있다. 풍력 에너지는 바람으로 풍차를 돌려 전기를 얻는 에너지로, 풍력은 환경 오염이 발생하지 않고 산이나 바다 등에 설치할 수 있어 국토를 효율적으로 이용할 수 있다. 태양열 에너지는 태양열을 모아 이용하는 에너지로, 태양열은 다른 재생 에너지보다 설치가 간단하므로 가정의 온수나 난방 등에 이용되고 있다.지열 에너지는 깊은 땅속에서 고온의 증기를 얻어, 이 증기로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 에너지이다. 지열은 지구 자체가 가지고 있는 에너지이므로 잠재력이 거의 무한대이며, 연료의 가격이 저렴하다.

수력 에너지는 물이 떨어지는 힘으로 수차를 돌려 전기를 얻는 에너지이다. 수력은 친환경적이고, 연료의 공급 없이 오래 사용할 수 있다. 바이오 에너지는 나무, 유채, 옥수수 등의 작물을 고체, 액체, 기체 형태의 연료로 만들어 사용하는 에너지이다. 바이오 에너지는 온실가스가 배출되지 않는 청정에너지이며, 바이오 에탄올과 바이오 디젤 등은 자동차 연료로 이용되고 있다.

폐기물 에너지는 폐기물을 연료로 만들어 사용하는 에너지이다. 폐기물 에너지는 쓰레기를 에너지 자원으로 활용함으로써 환경 문제를 해결할 수 있고, 성형 고체 연료는 난방용으로 이용되고 있다. 해양 에너지는 해양의 조수(밀물과 썰물), 파도, 조류, 온도차 등을 이용하여 전기 또는 열을 얻는 에너지이다. 해양 에너지는 그 양이 무한하고, 한 번 설치하면 거의 영구적으로 사용이 가능한 청정에너지이다. 조력 발전, 파력 발전, 조류 발전, 온도차 발전 등이 있다.

㉡ 전망

국제에너지기구(IEA)의 「World Energy Outlook 2018」에 따르면 2017~2040년 세계 에너지수요는 25% 이상 증가할 전망이며, 에너지효율 개선이 시도되지 않을 시엔 동기간 세계 에너지수요가 50% 증가할 전망이다. 아시아는 2040년까지 세계 천연가스 수요 증가의 50%, 풍력･태양 에너지 공급 증가의 60%, 석유 수요 증가의 80% 이상, 석탄 및 원자력 증가의 100% 이상을 차지해 세계 에너지 수요 증가를 견인할 것으로 전망된다.

2017~2040년간 세계 원별 에너지수요는, 석유의 경우 수요 증가세가 둔화되고 석탄의 수요는 OECD국가 및 중국을 중심으로 감소될 것이나 천연가스와 전력의 수요는 빠르게 증가할 것으로 전망됨. 특히 전력 수요는 2040년까지 60% 증가하여 세계 최종에너지 소비에서 전력 비중(전력화율)은 2040년 25%에 달할 전망이다.

2040년까지 세계 1차에너지 수요 증가분의 45%는 재생에너지 공급을 통해 충당될 것으로 전망되며, 중국,EU,미국, 인도 등은 세계 재생에너지 보급･확대를 견인할 것으로 보인다. 세계 최종에너지 소비는 연평균 1.1% 증가하여 2040년까지 12,600Mtoe에 도달하는 반면, 에너지효율 개선노력으로 세계 에너지원단위(Energy Intensity)는 연간 2.3% 향상될 것으로 전망된다.